平带系统具有较低的电子动能，是构筑强关联体系的一个理想平台。在电荷、自旋、轨道等不同自由度的相互作用和调制下，它可以孕育出丰富的、具有不同对称性量子态的低温相图。在绝对零度极限下，由如压强、掺杂、磁场等非温度参数诱导的相变被称为量子相变，而相变点处强的量子涨落往往会引起奇特的物理现象，如非费米液体、非常规超导等。此外，某些铁磁基态中难以通过常规手段观测的长程序在一级量子相变点处会发生突变，这将引起可观测物理量的变化从而得以探测。对量子相变的研究不仅可以为发现新的物相指明方向，也能揭示相变点两侧基态的物理性质，因此寻找一个相图高度可调的量子体系至关重要。

石墨烯莫尔超晶格是一类高度可调的拓扑平带系统，其内禀的自旋和谷自由度在能带整数填充处容易发生极化，诱导强关联基态的出现并产生丰富的强关联现象，如关联绝缘态，超导态，磁性以及量子反常霍尔效应。在该领域，中科院物理所纳米实验室N07课题组以双层石墨烯为母体率先发现了一类新型的转角双层-双层石墨烯（2+2）莫尔超晶格体系，并在该体系中观察到空间电场可调的平带结构和半填充处具有自旋极化的关联绝缘态（Nat.Phys.16,520(2020)）；随后，通过系统研究了电阻随温度线性变化的行为，发现了电场可调的电子-声子相互作用和量子临界行为的迹象（PRB 106,035107(2022）；发现了电场可调的自旋-能谷竞争关系，实现了谷极化关联绝缘态和陈数为2的拓扑陈绝缘态（Nat.Commun.13,3292(2022)），并观测到了关联绝缘态中的量子振荡行为（Sci.Bull.68,1127(2023)）。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室N07课题组的杨威特聘研究员和张广宇研究员指导刘乐博士生等对转角双层-双层石墨烯中自旋极化的关联绝缘态进行了深入研究。他们在莫尔导带半填充附近发现了栅压可调的金属-绝缘体一级量子相变行为，其表现出随着载流子浓度或者空间电场出现台阶状的纵向电阻平台，并伴随着回滞效应（图一所示）。通过系统研究其输运行为对面内和面外磁场的响应，发现关联绝缘态内部存在自旋极化的铁磁长程序（图二所示）。结合这些实验发现，他们推测相边界处强的量子涨落会诱导实空间的相分离现象以及渗流行为，从而表现出电阻随磁场的台阶状变化（图三所示）。此外，在垂直磁场下，轨道塞曼效应会诱导自旋-谷竞争，产生谷极化态并展现出反常霍尔效应。进一步他们发现在这些具有不同对称性的基态之间都存在栅压可调的一级量子相变（图四所示）。最后，在有限垂直磁场下，摩尔导带的奇数填充处（四分之一和四分之三）也会涌现出谷极化的基态，在该基态与自旋极化基态的相边界处，也存在着栅压可调的一级量子相变和显著的磁滞效应（图五所示）。该工作详细研究了2+2体系的量子相变行为，揭示了关联绝缘态中的铁磁长程序和非常规的电磁相互作用，这些发现深化了人们对转角体系中关联绝缘态本质的认识，并为研究强关联体系的量子相变行为提供了新的路径。

图1. 零磁场下栅压可调的一级量子相变。

图2. 磁场诱导的自旋极化的铁磁相变。

图3. 相边界处的相分离与渗流现象。

图4. 垂直磁场下谷-自旋竞争诱导的丰富物相及其相变。

图5. 奇数填充处的一级量子相变行为。

本研究工作获得了来自物理所怀柔综合极端实验装置的吕力研究员、沈洁特聘研究员、杨光博士等的低温技术支持，上海科技大学的刘健鹏教授和吕昕博士的理论支持，日本国立材料科学研究所的Kenji Watanabe研究员和Takashi Taniguchi研究员的氮化硼样品支持。该工作得到科技部重点研发计划，国家自然科学基金委，中国科学院先导B以及建制化科研等项目的资助。相关成果以“Observation of first-order quantum phase transitions and ferromagnetism in twisted double bilayer graphene”为题发表在Physics Review X, 13, 031015(2023)，博士生刘乐和上海科技大学的吕昕博士为共同第一作者，杨威特聘研究员和张广宇研究员为共同通讯作者。（来源：中国科学院物理研究所）

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.031015